量子級聯激光器調制_圖文

1、副載波相位調制光信號通過同步量子級聯激光器放大維斯瓦-巴拉蒂大學，印度，西孟加拉邦，桑蒂尼蓋登摘要. 本文從理論上研究了一個輸入副載波多路相位調制光波的同步的量子級聯激光器的擴增性能。輸出的光相位調制振幅對應一個給定應的計算過的微波副載波。用精確微波副載波完成理想的三階交越失真相位調制和基于輸入相位調制（PM）系數的研究分析。關鍵詞. 交越失真,注入鎖定振蕩器, 非線性系統(tǒng), 光學放大器, 相位調制, 量子阱激光器, 同步復用。1 引言量子級聯激光器（QCL）于1994在貝爾實驗室首次展示 1 。卡扎里若夫和蘇里斯 2 曾在超晶格曾經預測光擴張的極限。與其他半導體激光器相比量子級聯激光器是一種

2、高功率激光器。在QCL中，電子進行一系列又高到低的變動就像處在活躍介質的電位中一樣。在這個過程中當一個級聯產生時一部分相同的光子在高功率輻射下被發(fā)射。目前QCL可以涵蓋非操作排列中遠紅外區(qū)域在5-20THZ的吸收邊帶，它可以在一個很廣的范圍里作為一個潛在地紅外源。在QCL發(fā)明以后，各種可能使用這種激光的應用 8,12 正在被研究中。QCL的應用是光前通信的一種。最近，QCL的同步 13 吸引了不少的科學家。在同步模式下QCL可以作為一個強大的光信號角調制放大器 14,15 。同時它還可以用來檢測光信號相位調制 16 。在本文中，我們研究的一個理論上副載波多路復用(SCM調相(PM光信號的放大性

3、能通過一個被用像視頻信號一樣的消息信號調制過的微波副載波來同步的QCL。QCL同步可能作為SCM PM光學信號放大器潛在的應用同時可能在光學信號處理過程中能用的到。我們計算了放大的SCM PM信號相位調制放大倍數和三階交越失真(IMD。IMD可以由本文提供方程的物理參數來確定。2 線路描述SCM PM光學信號放大器的電路原理如圖1所示這里，CW光波在可以摻鈦的 LiNbO3的調制器中被一部分有角頻率，的微波副載波調制。在微波功能組合器的微波域中微波副載波完成了復用。衰減器用來控制SCM PM 光學信號的功率，同時把光學信號注入到QCL中。QCL在中遠紅外區(qū)域可以當做一個非線性振蕩器。同步是一個

4、非線性現象。注入光波的功率相對于不同步的QCL的輸出功率和自然頻率的QCL中CW注入光的波頻率間隔來說,QCL可以同步到注射光波。在這中情況下，同步QCL的照射激光將以注射光波的振蕩頻率代替它自己的頻率同時與CW注入光波維持一個恒定的相位誤差。QCL將因此遵循的注射光學信號。這就是QCL的同步過程。越小的頻率間隔和越大的相對注入功率可以使QCL同步更容易實現。在同步過程中，QCL將遵循注射光波的相位變化。鎖定帶寬的QCL必須足夠寬來容納注入的SCM PM信號。鎖定帶寬取決于相對注射光波的功率級和激光腔的反應能量以及裝置的非線性密度。在同步QCL的輸出端，我們得到放大的SCM PM光信號。圖 1

5、. 是關于副載波多路復用調相光學信號放大器的電路原理圖3 設計分析我們認為光相位調制應由一部分多路復用的微波副載波在光相位調制器中完成。我們用電路方程代表多路復用的微波副載波其中是電壓的振幅是p-th微波副載波的角頻率，m是微波副載波的數量。用 LiNbO3相位調制器產生的副載波調制光載波相位，可表為如下公式是PM光波，載波角頻率為的PM光波的電場振幅，是p-th微波副載波的相位調制指數。是半波電壓調相器。我們可以假定所有的微波副載波的電壓是相同的,同時讓以便，p=1,2,m這個相位調制的光信號被注入到一個注入被鎖定副載波多路復用調相光波的量子級聯激光器中。為了分析注入鎖定 12 了副載波多路

6、復用調相光波的量子級聯激光器的響應，我們開發(fā)一個量子級聯激光器的輸電線路模型 13 。QCL級聯激光器輸電線路的活躍增益類似于g增益，長度l，損耗。QCL是強度模的態(tài)增益(g可以表示為I 表示激光強度，表示飽和磁化強度，其定義為強度增益下降到一半的不飽和低強度值。此時，g0 =，是QCL的腔損耗，代表輸出端損耗或者鏡面損耗?；钴S區(qū)域的長度是l也就是導線的長度。QCL的空腔長度是l，SCM PM光波的合成振幅注入到受控QCL可以被表示為表示一個任意的相角，QCL輸出的合成振幅可以表示為是鎖定并包含調制放大光波的QCL的輸出相角。導線的傳播常數可以從以下得到是行對應角頻率的相移常數。導線的輸入導納

7、可表示為是真空導納，n 是活躍增益的折射率。在這里我們假定（）磁場H 和電場E 在激光腔是相關的，方程為我們可以得到和腔共振的條件為K =1，2，3，etc。= 和是與角頻率相對應的腔內光波波長。對于一個輕微去諧的波，可以得到是偏振程度，是光波的角頻率?？紤]到在時間的影響下電廠光波頻率的變化，需要用替換。腔的外部品質因數可以表示為用等效電路的概念。假設雙曲正切并把（8）（10）（11）帶入（9），使（9）的兩邊虛數部分相等，我們得到注入QCL的相位方程為其中，Q是激光腔的外部品質因數。是擁有受控角頻率的QCL的自激光學電場振幅，是輸入輸出相位之差。C1，C2，C3是QCL,的參數定義為, .n

8、 是折射率的活躍增益，比如層17 與x=0.5。表示飽和電場。QCL同樣由銻化物的基礎材料構成18-22 。如果我們考慮注入CW光波到鎖定的QCL，那么在穩(wěn)態(tài)時鎖定。同樣，在低水平注入時，那么，從式（15）與（i.e., 不調制 我們得到鎖定邊帶的上下極限取決于，全部的鎖定邊帶（LB）可以從表達式中得到pi是注入光輸出功率，是鎖定QCL的自激輸出功率。在計算中，我們可用參數23 ，n =3.3687，l =2 mm，。這些參數產生與C1 =3.6862，C2 =1.6862，C3 =0.1929。在一開始，我們忽視了在非線性裝置的三階交越失真（IMD）這個相位方（15）程是一個非線性方程。我們

9、假設了一種解決相位誤差的辦法為了保持IMD的低水平很，我們限制相位調制指數在很小的范圍。這樣，因此，在此條件下我們可得和為了使達到最小我們取取和?，F在，使用諧波平衡的原則我們使方程（15）兩邊的系數和的系數相同。然后，簡化得到的方程并把消去我們得到其中，和。我們正在考慮低級注射。所以然后B<<1。如果那么因為B<<1。放大i-th副載波相位調制振幅作為在圖2中所顯示并注入相對光波的功率作為參數的載波頻率的一個函數。在圖中可看出給定的子載波輸出相位調制系數隨微波副載波頻率增加。注入的相對功率越高，它的隨之增長就越少。眾所周知，半導體激光器應在1.55 或1.31 同步到3

10、0db的相對注入功率級。所以，我們認為相對注入級要在15db-25db之間。圖2. 放大光波的i-th副載波頻率為一個函數的副載波頻率時的相位調制振幅。為了計算放大副載波調制光波的三階交越失真等級，我們假定相位誤差為是IMD頻率下的交越振幅，是恒相角。IMD頻率會在時有用，在（）時沒用。我們應該記住，決定，和同樣，角可以在時用到，在沒價值。以如上的方式繼續(xù)，我們可以得出以下方程那么，而且B和z 有相同的表達式如前面所述。這里，我們已采取不同的相位調制指數，用來和混合副載波信道i , j和 k加以區(qū)別。舉一個簡單的例子，我們可以使。比如，我們考慮微波副載波多路復用頻率為，。這里，是信道分隔線。如

11、果我們計算IMD達到頻率；我們注意到和。這些頻率能一起IMD達到。所以4 IMD組件出現在副載波頻率，這從根本上意味著交越相位失真的方形指數是這里的N 表示IMD在特定的頻率的乘積組和產生IMD特定頻率的整個IMD組成。經計算，我們可以使副載波頻率=10GHZ，= 10GHZ，同時信道帶寬要低于。從方程（26）中，可以看出IMD組件的相位調制振幅與混頻信道的調制指數的乘積成正比。IMD相位調制指數的變化可作為在圖3中顯示并用相對注入光功率級作為參數的輸入光相位調制指數（）的函數。IMD的相位調制指數與輸入端PM隨著混頻信號的PM指數乘積指數增加。注入光功率越大，IMD等級越高。IMD PM指數

12、的變化由圖4中所示用IMD頻率作為參數用特定信道的輸入光PM指數引起。從圖4中，可以看到IMD頻率越高，IMD的等級越低。圖3. 計算相位調制振幅（）的變化可以作為用作為參數輸入相位調制的指數（）的函數。IMD頻率10GHZ。信道頻率10GHZ。(A：-15dB;(B：-20dB;(C:-25dB。相位誤差=0。圖4. 計算IMD相位調制振幅（）的變化可以作為以IMD頻率作為參數的輸入相位調制指數（）的函數。IMD 頻率變化為（A）：10GHZ；（B）：20GHZ；（C）：30GHZ。相對注入光功率-20dB相位誤差=0。4 總結用同步的量子級聯激光器副完成調相放大紅外信號的載波多路復用理論已

13、經開始展述，同時放大性能也已經被研究分析。需要輸出端振幅相位調制的副載波頻率已經完成計算。給定信道的放大紅外信號三階交越失真作為輸入端混頻信號相位調制指數的乘積發(fā)生了變化。所以，為了保持IMD的低水平，輸入端相位調制指數必須保持低水平。整個研究分析完全通用不僅可以適用于各種半導體材料還可適用以各種不同的波長。鳴謝筆者感謝大學教育資助委員會的，新德里，安德 格蘭特 諾. F-36-292/2008(SR）對此工作的援助。參考文獻1 J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson,and A. Y. Cho, &quo

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